DE69802122T2 - Tunable optical parametric oscillator - Google Patents
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Description
Diese Erfindung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldungen 19706031.5 mit Anmeldedatum vom 7. Februar 1997, 19718254.2 mit Anmeldedatum vom 30. April 1997 und 197 51 324.7 mit Anmeldedatum vom 19. November 1997 gemäß der Pariser Verbandsübereinkunft.This invention claims the priority of German patent applications 19706031.5 with filing date of February 7, 1997, 19718254.2 with filing date of April 30, 1997 and 197 51 324.7 with filing date of November 19, 1997 under the Paris Convention.
Die Erfindung betrifft einen kompakten und zuverlässigen, einfachresonanten optischen parametrischen Oszillator (SRO), welcher Laserlicht von hoher spektraler Reinheit und Frequenzstabilität über einen weiten Spektralbereich aussenden kann.The invention relates to a compact and reliable single-resonant optical parametric oscillator (SRO) which can emit laser light of high spectral purity and frequency stability over a wide spectral range.
Ein optischer parametrischer Oszillator (OPO) ist eine nicht-lineare Vorrichtung, welche auftreffende Photonen in Photonenpaare konvertiert, wenn er optisch bei einer Leistung pro Einheitsbereich oberhalb eines bestimmten Schwellenwerts angeregt wird. Die Höhe des Schwellenwerts ist ein Kennzeichen des nicht-linearen Materials, des Resonators, und ist eine Funktion der Wellenlänge. Diese Vorrichtung ist normalerweise in einer der zwei folgenden Formen ausgeführt: entweder als doppelresonanter Oszillator (DRO), bei welchem beide erzeugten optischen Strahlen resoniert werden, oder als einfachresonanter Oszillatormodus (SRO), bei welchem nur einer der erzeugten optischen Strahlen in Resonanz ist.An optical parametric oscillator (OPO) is a non-linear device that converts incident photons into photon pairs when optically excited at a power per unit area above a certain threshold. The height of the threshold is a characteristic of the non-linear material, the resonator, and is a function of wavelength. This device is usually implemented in one of two forms: either a double-resonant oscillator (DRO), in which both generated optical beams are resonated, or a single-resonant oscillator mode (SRO), in which only one of the generated optical beams is resonant.
Die Verwendung von optischen parametrischen Oszillatoren für kommerzielle und wissenschaftliche Anwendungen erfordert, daß mehrere Anforderungen gleichzeitig erfüllt sind. Insbesondere kann weit abstimmbare Laserstrahlung mit hoher Frequenzstabilität und schmaler Linienbreite für eine Vielzahl von Anwendungen auf dem Gebiet der hochauflösenden Spektroskopie und Metrologie verwendet werden. Dauerstrichbetrieb solcher Laserquellen ist erforderlich, um Linienbreiten im Bereich von einem MHz oder weniger zu erzielen. Eine Vielzahl von Dauerstrich-Lasern steht für unterschiedliche Abschnitte des optischen Spektrums bereit, z. B. Laserdioden im Bereich zwischen 630 und 2000 Nanometer, Titan-Sapphir-Laser im Bereich zwischen 710 und 1100 Nanometer, Farbstofflaser im Bereich zwischen 400 und 800 nm und Farbzentrenlaser in Spektralbereichen zwischen 2 und 3,5 um. Diese Laser erfüllen jedoch nicht gleichzeitig die folgenden Kriterien:The use of optical parametric oscillators for commercial and scientific applications requires that several requirements are met simultaneously. In particular, widely tunable laser radiation with high frequency stability and narrow line width can be used for a variety of applications in the field of high-resolution spectroscopy and metrology. Continuous wave operation of such laser sources is required to achieve line widths in the range of one MHz or less. A variety of continuous wave lasers are available for different sections of the optical spectrum, e.g. laser diodes in the range between 630 and 2000 nanometers, titanium sapphire lasers in the range between 710 and 1100 nanometers, dye lasers in the range between 400 and 800 nm and color center lasers in spectral ranges between 2 and 3.5 um. However, these lasers do not simultaneously meet the following criteria:
großer Emissionsbereich (über 100 nm);wide emission range (over 100 nm);
hohe Leistung (über 50 mW);high power (over 50 mW);
schmale Linienbreite (weniger als 1 MHz);narrow line width (less than 1 MHz);
gute Frequenzstabilität (Drift von weniger als 200 MHz/h); undgood frequency stability (drift of less than 200 MHz/h); and
kompakte Größe.compact size.
Im Prinzip kann eine nicht-lineare optische Frequenzumwandlung verwendet werden, um den Wellenlängenbereich von Lasern mit den gewünschten Eigenschaften zu erweitern. In Kombination mit Festkörperlasern, wie diodengepumpten Nd:YAG-Lasern, zeigte sich, daß durch gepulste nicht-lineare Frequenzumwandlung Licht in den ultravioletten, sichtbaren und Infrarot-Spektralbereichen in kompakten, leistungsfähigen und zuverlässigen Systemen erzeugt werden kann. Die Erforschung von optischen parametrischen Oszillatoren (OPOs) im Dauerstrichbetrieb, die von diodengepumpten Festkörperlasern angetrieben werden, wurde 1989 von Kozlovsky et al. (Optics Letters 14, 66 (1989)) begonnen unter Verwendung eines doppelresonanten OPO (DRO), wobei beide erzeugten Wellen resonant verstärkt wurden, um den Oszillatorschwellenwert zu reduzieren. Obwohl Emissionsbereiche von mehr als 200 nm in dem nahen Infrarotbereich und Ausgangsleistungen im mW-Bereich gezeigt wurden (Gerstenberger et al., J. Opt. Soc. Am. B 10, 1681 (1993)), bewirkten die hohe Anfälligkeit der DROs auf Modehopping und das schwierige Abstimmungsverhalten (Eckardt et al., J. Opt. Soc. Am. B8, 646 (1991)), daß Dauerstrich-OPOs den Ruf bekamen, für hochauflösende spektroskopische Anwendungen nicht geeignet zu sein. Yang et al. (Optics Letters 18, 971 (1993)) haben gezeigt, daß ein einfachresonanter OPO (SRO) einen Betrieb ohne Modehopping über mehrere Minuten erreichen kann, und es wurde ein kontinuierlicher Abstimmungsbereich von 550 MHz erhalten. Diese Leistungen des Standes der Technik sind immer noch weit von den praktischen Anforderungen an hochauflösende spektroskopische Anwendungen entfernt.In principle, nonlinear optical frequency conversion can be used to extend the wavelength range of lasers with the desired properties. In combination with solid-state lasers, such as diode-pumped Nd:YAG lasers, it was shown that pulsed nonlinear frequency conversion can generate light in the ultraviolet, visible and infrared spectral regions in compact, powerful and reliable systems. Research into continuous-wave optical parametric oscillators (OPOs) driven by diode-pumped solid-state lasers was started in 1989 by Kozlovsky et al. (Optics Letters 14, 66 (1989)) using a double-resonant OPO (DRO), where both generated waves were resonantly amplified to reduce the oscillator threshold. Although emission ranges of more than 200 nm in the near infrared region and output powers in the mW range have been demonstrated (Gerstenberger et al., J. Opt. Soc. Am. B 10, 1681 (1993)), the high susceptibility of DROs to mode hopping and the difficult tuning behavior (Eckardt et al., J. Opt. Soc. Am. B8, 646 (1991)) gave continuous wave OPOs a reputation as unsuitable for high resolution spectroscopic applications. Yang et al. (Optics Letters 18, 971 (1993)) have shown that a single resonant OPO (SRO) can achieve operation without mode hopping for several minutes and a continuous tuning range of 550 MHz was obtained. These state-of-the-art performances are still far from the practical requirements for high-resolution spectroscopic applications.
Der Zeitschriftartikel "Continuous-Waves Singly Resonant Optical Parametric Oscillator Based on Periodically Poled LiNbO&sub3;", Bosenberg, W et al. in Optics Letters Band 21, Nr. 10, 15.05.1996, Seiten 713 bis 715, beschreibt einen einfachresonanten optischen parametrischen Oszillator (SRO). Das nicht-lineare Medium weist einen periodisch gepolten Kristall (PPLN) auf, und der Resonator hat eine hohe Transmission für die Pumpwelle. Die Pumpquelle weist eine Mehrzahl von Frequenzen auf. Das in dieser Veröffentlichung bekanntgemachte System läuft bis zu 20 Sekunden ohne Modensprünge.The journal article "Continuous-Waves Singly Resonant Optical Parametric Oscillator Based on Periodically Poled LiNbO₃", Bosenberg, W et al. in Optics Letters Volume 21, No. 10, 15.05.1996, pages 713 to 715, describes a singly resonant optical parametric oscillator (SRO). The non-linear medium has a periodically poled crystal (PPLN) and the resonator has a high transmission for the pump wave. The pump source has a variety of frequencies. The system disclosed in this publication runs for up to 20 seconds without mode hopping.
In bezug auf diese Nachteile des Stands der Technik besteht der hauptsächliche Zweck der vorliegenden Erfindung darin, einen einfachresonanten Oszillator der obengenannten Art so zu verbessern, daß ein frequenzstabiler und modensprünge-freier Betrieb mit · kontinuierlicher Frequenzabstimmung in einem effektiven, kompakten, stabilen und weit abstimmbaren nicht-linearen Frequenz-Umwandlungssystem erreicht wird.In view of these disadvantages of the prior art, the main purpose of the present invention is to improve a single-resonant oscillator of the above-mentioned type so that a frequency-stable and mode-hop-free operation with continuous frequency tuning is achieved in an effective, compact, stable and widely tunable non-linear frequency conversion system.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch ein optisches parametrisches Oszillatorsystem erreicht, welches in einer Dauerstrich-gepumpten Laservorrichtung verwendet wird, mit einer einfachfrequenten Pumpquelle nach Anspruch 1. Dieses System umfaßt einen einfachresonanten Hohlraum mit einem nicht-linearen Medium zum Erzeugen einer ersten parametrisch erzeugten Welle (Signalwelle) und einer zweiten parametrisch erzeugten Welle (Hilfswelle) in Reaktion auf eine Pumpwelle von der einfachfrequenten Pumpquelle, mit einer Einrichtung zum Steuern der Parameter, welche zu Änderungen der Wellenvektor-Fehlanpassung, wie die optische Weglänge des Resonators, die Frequenz der Pumpquelle und die Temperatur des nicht-linearen Mediums, führen.This object is achieved according to the invention by an optical parametric oscillator system used in a continuous wave pumped laser device, with a single frequency pump source according to claim 1. This system comprises a single resonant cavity with a non-linear medium for generating a first parametrically generated wave (signal wave) and a second parametrically generated wave (auxiliary wave) in response to a pump wave from the single frequency pump source, with means for controlling the parameters which lead to changes in the wave vector mismatch, such as the optical path length of the cavity, the frequency of the pump source and the temperature of the non-linear medium.
Erfindungsgemäß hat sich herausgestellt, daß bestimmte Anforderungen an die Stabilität wesentlich für die Eliminierung von Modensprüngen sind. Insbesondere dürfen sich die wesentlichen Parameter des Systems, d. h. typischerweise die Pumpfrequenz, optische Weglänge des Hohlraums (bestimmt wiederum durch die Kristalltemperatur und physikalische Länge des Hohlraums), nicht um mehr als einen vorbestimmten Betrag ändern. Der zulässige Betrag hängt von der Hohlraumausbildung und -abmessung, dem verwendeten nicht-linearen Material und den Pump- und Emissions-Wellenlängen ab. Um Modensprünge zu vermeiden, ist das Kriterium hinreichend, daß die zulässigen Fluktuationen bedeutend geringer sein müssen als die, die zu einer Situation führen würden, in welcher die Wellenvektor-Fehlanpassung für die Oszillation mit der Frequenz der resonant parametrisch erzeugten Welle, die sich um einen freien Spektralbereich des Hohlraums unterscheidet, einen höheren Zuwachs erbringt.According to the invention, it has been found that certain stability requirements are essential for eliminating mode jumps. In particular, the essential parameters of the system, i.e. typically the pump frequency, optical path length of the cavity (in turn determined by the crystal temperature and physical length of the cavity), must not change by more than a predetermined amount. The permissible amount depends on the cavity design and dimensions, the non-linear material used and the pump and emission wavelengths. In order to avoid mode jumps, the criterion is sufficient that the permissible fluctuations must be significantly smaller than those that would lead to a situation in which the wave vector mismatch for the oscillation at the frequency of the resonantly parametrically generated wave, which differs by a free spectral range of the cavity, yields a higher gain.
Eine Betrachtung der Änderung der Pumpwinkelfrequenz δωp, der Änderung der Resonator-Mediumtemperatur δT und der Änderung der Hohlraumlänge δL als unabhängige Variationen führt zu den folgenden hinreichenden Bedingungen für einen Betrieb ohne Modensprünge. Considering the change in the pumping angular frequency δωp, the change in the resonator medium temperature δT and the change in the cavity length δL as independent variations leads to the following sufficient conditions for operation without mode hopping.
mit with
und and
wobei Lrtc die Umlauflänge des Kristalls und Lrta die Umlauflänge in der Luft ist.where Lrtc is the orbital length of the crystal and Lrta is the orbital length in air.
Diese Gleichungen gelten für alle unterschiedlichen Arten von SRO-Anordnungen. Um diese Gleichungen auf einen bestimmten Fall zu spezialisieren, werden nur diejenigen Gleichungen in (1) verwendet, wo sich die Variation auf der linken Seite auf einen unabhängigen Parameter bezieht und die partiellen Ableitungen These equations are valid for all different types of SRO arrangements. To specialize these equations to a particular case, only those equations in (1) are used where the variation on the left hand side refers to an independent parameter and the partial derivatives
und and
, wo sie nicht Null sind, unter Verwendung der entsprechenden Resonanzbedingungen berechnet und in Gleichungen (1) eingefügt werden. Um dieses Verfahren zu verdeutlichen, führt der Fall des signalresonanten OPO mit nicht-resonanter Pumpe (ωp, L, T sind die unabhängigen Parameter) zu dem folgenden: , where they are not zero, can be calculated using the appropriate resonance conditions and inserted into equations (1). To illustrate this procedure, the case of the signal-resonant OPO with non-resonant pump (ωp, L, T are the independent parameters) leads to the following:
wobei alle anderen partiellen Ableitungen verschwinden.where all other partial derivatives vanish.
Diese Ergebnisse können verallgemeinert werden, so daß sie elektrooptisches Abstimmen der optischen Weglänge des Resonators beinhalten.These results can be generalized to include electro-optical tuning of the optical path length of the resonator.
Bei Anwendungen, bei welchen es erwünscht ist, die Frequenz der Signal- oder Hilfswelle des SRO über einen großen Bereich abzustimmen, kann eine Abstimmung der Ausgangswellen durch Ändern der optischen Weglänge des Hohlraums durchgeführt werden, um hierdurch die Resonanzfrequenz zu ändern, Die Frequenz der konjugierten nicht-resonanten Welle wird hierdurch indirekt durch die Bedingung der Photonenenergie-Erhaltung geändert. Wenn sich die optische Weglänge um einen wesentlichen Betrag ändert, findet eine Phasen-Fehlanpassung in der parametrischen Wechselwirkung statt, die einen Modensprung bewirkt. Um dies zu vermeiden, beinhaltet das System gemäß der Erfindung eine Einrichtung zum Ändern der Brechungsindizes von mindestens einer der Wellen, die in einer parametrischen Wechselwirkung beinhaltet sind (normalerweise über eine Änderung der Temperatur, die an den nicht-linearen optischen Kristall angelegt wird, obwohl eine Änderung in einem angelegten elektrischen Feld auch möglich wäre). Diese Änderung der Phasen-Fehlanpassung wird gewählt, um die Phasen- Fehlanpassung beinahe oder ganz zu kompensieren, welche aufgrund der Frequenzabstimmung der OPO-Ausgangswellen stattfindet. Insbesondere kann ein Servosystem verwendet werden, um diese Phasen-Fehlanpassung zu regulieren, so daß die ausgesandte Hilfs- oder Signalwellenleistung maximiert wird. Ein Fehlersignal für diese Regulierung kann erhalten werden, indem eine geringe positive und negative Temperaturänderung an dem Kristall vorgenommen wird und die ausgesandten OPO- Leistungen verglichen werden.In applications where it is desired to tune the frequency of the signal or auxiliary wave of the SRO over a wide range, tuning of the output waves can be performed by changing the optical path length of the cavity, thereby changing the resonant frequency. The frequency of the conjugated non-resonant wave is thereby changed indirectly through the condition of photon energy conservation. If the optical path length changes by a significant amount, a phase mismatch takes place in the parametric interaction, causing a mode hop. To avoid this, the system according to the invention includes means for changing the refractive indices of at least one of the waves involved in a parametric interaction. (usually via a change in temperature applied to the non-linear optical crystal, although a change in an applied electric field would also be possible). This change in phase mismatch is chosen to nearly or completely compensate for the phase mismatch that occurs due to the frequency tuning of the OPO output waves. In particular, a servo system can be used to regulate this phase mismatch so that the emitted auxiliary or signal wave power is maximized. An error signal for this regulation can be obtained by applying a small positive and negative temperature change to the crystal and comparing the emitted OPO powers.
Für einen frequenzstabilen Betrieb der OPO-Ausgangswellen wird die Frequenzleistung des einfachresonanten OPO für die erzeugten und ausgesandten Wellen durch die optische Weglänge des Hohlraums für die Signalwelle bestimmt. Aus diesem Grund bewirken kleine Änderungen dieser Länge, die z. B. durch mechanische Störungen, Temperaturänderungen des nicht-linearen Kristalls zum Ändern seines Brechungsindexes, Druckschwankungen der Luft usw. erzeugt werden, Frequenzänderungen in dem Signal und bei einer gegebenen Pumpfrequenz in der Hilfsfrequenz. Das Ziel eines aktiven Frequenz-Stabilisationssystems für SRO muß deshalb darin bestehen, die Frequenzänderungen der Signalwelle und/oder der Hilfswelle im Vergleich zum Level der frei laufenden Vorrichtung zu reduzieren. Erfindungsgemäß bieten die kombinierte Einrichtung zum Steuern der Hohlraumlänge des Resonators, die Einrichtung zum Steuern der Pumpfrequenz der Pumpquelle und die Einrichtung zum Steuern einer Temperatur des nicht-linearen Mediums die erforderlichen Bedingungen für einen frequenzstabilen Betrieb und ein unterdrücktes Modenhopping.For a frequency-stable operation of the OPO output waves, the frequency power of the single-resonant OPO for the generated and emitted waves is determined by the optical path length of the cavity for the signal wave. For this reason, small changes in this length, caused e.g. by mechanical disturbances, temperature changes of the non-linear crystal to change its refractive index, pressure fluctuations of the air, etc., cause frequency changes in the signal and, at a given pump frequency, in the auxiliary frequency. The aim of an active frequency stabilization system for SRO must therefore be to reduce the frequency changes of the signal wave and/or the auxiliary wave compared to the level of the free-running device. According to the invention, the combined means for controlling the cavity length of the resonator, the means for controlling the pump frequency of the pump source and the means for controlling a temperature of the non-linear medium provide the necessary conditions for a frequency-stable operation and suppressed mode hopping.
Bei einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform weist der Resonator einen monolithischen Block auf. Diese Ausführungsform ist besonders geeignet, um die oben genannten Stabilitätsanforderungen aufrecht zu erhalten.In a preferred embodiment of the invention, the resonator comprises a monolithic block. This embodiment is particularly suitable for maintaining the stability requirements mentioned above.
Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung weist das nicht-lineare Medium einen quasi-phasenangepaßten Kristall auf. Diese Ausführungsform liefert ein insbesondere nicht-lineares Medium zum Erzeugen von Ausgangswellen bei gewünschten Wellenlängen.In another embodiment of the invention, the non-linear medium comprises a quasi-phase-matched crystal. This embodiment provides a particularly non-linear medium for generating output waves at desired wavelengths.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Hohlraumlänge- Steuereinrichtung eine Einrichtung zum Ändern einer optischen Weglänge des Resonators um einen gesteuerten Betrag auf. Zusätzliche Mittel sind vorgesehen, um eine Phasen- Fehlanpassungseffektivität des Resonators in Reaktion auf eine Änderung der Hohlraumlänge anzupassen, um die Leistungs-Konversionseffektivität des Systems zu maximieren. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, daß ein glattes Abstimmen der OPO-Frequenzen über große Bereiche möglich ist.In a further embodiment of the invention, the cavity length control means comprises means for changing an optical path length of the resonator by a controlled amount. Additional means are provided for changing a phase mismatch effectiveness of the resonator in response to a change in the Cavity length to maximize the power conversion effectiveness of the system. This embodiment has the advantage of allowing smooth tuning of the OPO frequencies over large ranges.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist das System eine frequenzstabile Referenz und eine Einrichtung zum Vergleichen der Frequenz eines der ersten und zweiten parametrisch erzeugten Strahlen mit der frequenzstabilen Referenz auf. Ein Vergleich mit der Referenz erlaubt eine Rückkopplungssteuerung, um das System für eine Emission mit stabiler Frequenz abzustimmen.In a further advantageous embodiment, the system comprises a frequency stable reference and means for comparing the frequency of one of the first and second parametrically generated beams with the frequency stable reference. A comparison with the reference allows feedback control to tune the system for a stable frequency emission.
Es ist vorteilhaft, wenn der Resonator eine hohe Transmission für die Pumpwelle hat und wenn ein elektrooptisches Medium innerhalb des Resonators angeordnet ist und eine Einrichtung zum Anlegen eines elektrischen Feldes an das Medium vorgesehen ist, wobei die unabhängigen Parameter eine Pumpfrequenz, eine Temperatur des nicht-linearen Mediums, das elektrische Feld und einen Teil einer optischen Umlaufweglänge der ersten parametrisch erzeugten Welle außerhalb des nicht-linearen Mediums aufweisen. Eine elektrooptische Steuerung der optischen Weglänge erlaubt eine schnelle Abstimmung der Frequenzen.It is advantageous if the resonator has a high transmission for the pump wave and if an electro-optical medium is arranged within the resonator and a device for applying an electric field to the medium is provided, wherein the independent parameters comprise a pump frequency, a temperature of the non-linear medium, the electric field and a portion of an optical round trip path length of the first parametrically generated wave outside the non-linear medium. Electro-optical control of the optical path length allows rapid tuning of the frequencies.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform umfaßt der Resonator Spiegel für die erste und zweite parametrisch erzeugte Welle und die Pumpwelle und der Resonator weist einen geringen Verlust für die Pumpwelle auf, wobei die Pumpwelle resonant zwischen den Spiegeln verstärkt wird, wobei eine Einrichtung zum Maximieren einer zirkulierenden Pumpleistung durch Steuerung der Pumpfrequenz vorgesehen ist. Das Inresonanzbringen der Pumpwelle reduziert die Pumplaserleistung, die erforderlich ist, um den Schwellenwert zu erreichen. Das Locken der Pumpwelle an den Resonator ist vorteilhaft, wenn der Pumplaser eine geringe Frequenzstabilität hat.In an advantageous embodiment, the resonator comprises mirrors for the first and second parametrically generated waves and the pump wave and the resonator has a low loss for the pump wave, the pump wave being resonantly amplified between the mirrors, means being provided for maximizing a circulating pump power by controlling the pump frequency. Bringing the pump wave into resonance reduces the pump laser power required to reach the threshold. Locking the pump wave to the resonator is advantageous when the pump laser has a low frequency stability.
Bei einer zusätzlichen Ausführungsform umfaßt der Resonator Spiegel für die erste und zweite parametrisch erzeugte Welle und die Pumpwelle, wobei der Resonator einen geringen Verlust für die Pumpwelle hat und die Pumpwelle resonant zwischen den Spiegeln verstärkt wird, sowie eine Einrichtung zum Detektieren einer Verstimmung der Pumpwelle von der Resonanz und eine Einrichtung zum Steuern einer optischen Weglänge des Resonators zum Maximieren der zirkulierenden Pumpleistung. Diese Ausführungsform ist günstig, da im Fall einer frequenzstabilen Pumpe ein Teil der Frequenzstabilität zu der optischen Weglänge der resonant parametrisch erzeugter Welle übertragen wird, was eine gute Frequenzstabilität beider parametrisch erzeugter Wellen zur Folge hat.In an additional embodiment, the resonator comprises mirrors for the first and second parametrically generated waves and the pump wave, the resonator having a low loss for the pump wave and the pump wave being resonantly amplified between the mirrors, as well as means for detecting a detuning of the pump wave from resonance and means for controlling an optical path length of the resonator to maximize the circulating pump power. This embodiment is advantageous because in the case of a frequency-stable pump, part of the frequency stability is transferred to the optical path length of the resonantly parametrically generated wave, resulting in good frequency stability of both parametrically generated waves.
Bei verschiedenen Ausführungsformen wird für die Stabilisierung eine Sondierwelle verwendet, wie beansprucht ist. Der allgemeine Vorteil dieser Techniken besteht darin, daß sie verwendet werden können, um eine frequenzstabile Leistung mit höherer Frequenzstabilität zu erzeugen als die der Pumpwelle oder um die Frequenzstabilität der Leistung im Fall einer nicht-resonanten Pumpwelle zu verbessern. Die Verwendung der Harmonischen der Pumpe als eine Sonde hat den Vorteil, daß für eine weit abstimmbare Vorrichtung die Spiegel einen geringen Verlust für eine Sondierwelle von nur einer einzelnen Wellenlänge haben müssen. Der Vorteil, die zweite Harmonische der zweiten parametrisch erzeugten Welle (wenn es die mit der längeren Wellenlänge ist) zu verwenden, besteht darin, daß ihre Wellenlänge in den Wellenlängenbereich der ersten Welle fallen kann, so daß kein niedriger Resonatorverlust bei einer nicht bereits abgedeckten Wellenlänge erforderlich ist.In various embodiments, a probe wave is used for stabilization as claimed. The general advantage of these techniques is that they can be used to generate a frequency stable power with higher frequency stability than that of the pump wave or to improve the frequency stability of the power in the case of a non-resonant pump wave. Using the harmonics of the pump as a probe has the advantage that for a widely tunable device the mirrors need have low loss for a probe wave of only a single wavelength. The advantage of using the second harmonic of the second parametrically generated wave (if it is the one with the longer wavelength) is that its wavelength can fall within the wavelength range of the first wave so that low cavity loss at a wavelength not already covered is not required.
Wenn die Sonde die polarisationsrotierte resonant erzeugte parametrische Welle ist, wird eine Stabilisierung erreicht, ohne daß die Resonatorspiegel einen geringen Verlust bei einer nicht bereits abgedeckten Wellenlänge haben müssen, und es ist kein zusätzliches nicht-lineares Medium zur Frequenzverdoppelung erforderlich.If the probe is the polarization-rotated resonantly generated parametric wave, stabilization is achieved without requiring the resonator mirrors to have a small loss at a wavelength not already covered, and no additional nonlinear medium for frequency doubling is required.
Bei einer zusätzlichen bevorzugten Ausführungsform besteht der Resonator im wesentlichen aus einem semi-monolithischen Resonator, der ein quasi-phasenangepaßtes Multigitter-Medium für eine nicht-lineare optische Frequenzkonversion zweiter Ordnung, einen externen konkaven Spiegel mit einer Spiegelbeschichtung auf einer gekrümmten Oberfläche und eine Spiegelbeschichtung auf einer Endfläche des Multigitter-Mediums aufweist, wobei die Endfläche des Spiegels flach ist. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, daß sie besonders einfach ist, und stellt eine einfache Abstimmung des Resonatorsystems und einen besonders stabilen Betrieb bereit.In an additional preferred embodiment, the resonator consists essentially of a semi-monolithic resonator comprising a quasi-phase-matched multi-grating medium for second order non-linear optical frequency conversion, an external concave mirror with a mirror coating on a curved surface and a mirror coating on an end face of the multi-grating medium, the end face of the mirror being flat. This embodiment has the advantage of being particularly simple and provides easy tuning of the resonator system and particularly stable operation.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform besteht der Resonator im wesentlichen aus einem Brewsterwinkel-geschnittenen Resonator mit mindestens einem externen konkaven Spiegel mit einem Krümmungsradius, der dem Abstand zwischen einem Austrittspunkt aus einer Brewster-Winkelfläche des nicht-linearen Mediums und einer gekrümmten Reflexionsfläche des externen konkaven Spiegels entspricht, wobei das nicht-lineare Medium mindestens eine Brewsterwinkel-Fläche aufweist, um die Fresnel-Reflexionsverluste für Wellen mit einem Polarisationsvektor parallel zu einer Einfallsebene zu minimieren, wobei sich Wellen unterschiedlicher Wellenlängen kolinear in dem nicht-linearen Medium ausbreiten. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, daß eine Kompensation der Dispersion der unterschiedlichen Frequenzstrahlen, die aus dem Brewsterwinkelschnitt austreten und die Strahlen reflektieren, ermöglicht wird, so daß sie sich in dem nicht-linearen Medium optimal überlappen. Somit wird eine einfache Anordnung erhalten, wobei ein Fokuselement innerhalb des nicht-linearen Mediums für stabile Resonatormoden vorgesehen ist.In a particularly preferred embodiment, the resonator consists essentially of a Brewster angle cut resonator with at least one external concave mirror with a radius of curvature corresponding to the distance between an exit point from a Brewster angle surface of the non-linear medium and a curved reflection surface of the external concave mirror, wherein the non-linear medium has at least one Brewster angle surface in order to minimize the Fresnel reflection losses for waves with a polarization vector parallel to an incidence plane, wherein waves of different wavelengths propagate colinearly in the non-linear medium. This embodiment has the advantage that a compensation of the dispersion of the different frequency beams emerging from the Brewster angle cut and reflecting the beams is made possible so that they optimally overlap in the non-linear medium. Thus, a A simple arrangement is obtained, whereby a focus element within the non-linear medium is provided for stable resonator modes.
Bei einer Ausführungsform dieser besonderen Verbesserung besteht das fokussierende Element im wesentlichen aus einer gekrümmten Oberfläche mit einer Spiegelbeschichtung.In one embodiment of this particular improvement, the focusing element consists essentially of a curved surface with a mirror coating.
Bei einer alternativen Variante dieser Verbesserung wird eine gekrümmte Oberfläche mit einer internen Totalreflexion als fokussierendes Element verwendet. Diese Ausführungsform bietet den Vorteil, daß eine Spiegelbeschichtung auf dem nicht-linearen Medium nicht erforderlich ist.An alternative version of this improvement uses a curved surface with total internal reflection as the focusing element. This embodiment offers the advantage that a mirror coating on the non-linear medium is not required.
Weitere Verbesserungen und Vorteile der Erfindung können den beiliegenden Zeichnungen entnommen werden. Die Merkmale aus den Ansprüchen und Zeichnungen können erfindungsgemäß einzeln oder gemeinsam in jeglicher Kombination verwendet werden. Die Zeichnungen sind nur beispielhaft und sind nicht als abschließende Aufzählung der erfindungsgemäßen Anordnungen zu verstehen.Further improvements and advantages of the invention can be found in the accompanying drawings. The features from the claims and drawings can be used individually or together in any combination according to the invention. The drawings are only examples and are not to be understood as an exhaustive list of the arrangements according to the invention.
Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführungsform eines pumpresonanten SRO;Fig. 1 shows an embodiment of a pump resonant SRO according to the invention;
Fig. 2 zeigt ein System für Rückkopplungs-Hohlraumlängesteuerung und Temperatursteuerung entweder auf der Basis eines Vergleichs zwischen einer Referenzfrequenz und der Hilfsstrahlfrequenz oder zum synchronen Abstimmen der Hohlraumlänge und Temperatur des Mediums;Fig. 2 shows a system for feedback cavity length control and temperature control either based on a comparison between a reference frequency and the auxiliary beam frequency or for synchronously tuning the cavity length and temperature of the medium;
Fig. 3 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform des Systems mit einem Multigitter als nicht-linearem Medium, welches mit einem Translator verschoben werden kann;Fig. 3 shows a preferred embodiment of the system with a multi-grid as a non-linear medium, which can be translated with a translator;
Fig. 4a zeigt eine alternative Ausführungsform der Erfindung, die ein nicht-lineares Medium mit einem Brewsterwinkelschnitt und einen externen konkaven Spiegel aufweist;Fig. 4a shows an alternative embodiment of the invention comprising a non-linear medium with a Brewster angle cut and an external concave mirror;
Fig. 4b zeigt eine Ausführungsform des Systems von Fig. 4a, in welcher das nicht-lineare Medium zwei Brewsterwinkelschnitte aufweist und das System zwei externe konkave Spiegel aufweist; undFig. 4b shows an embodiment of the system of Fig. 4a in which the non-linear medium has two Brewster angle cuts and the system has two external concave mirrors; and
Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform eines Resonators mit internem SHG und aktiver Hohlraumlängen-Stabilisierung.Fig. 5 shows an embodiment of a resonator with internal SHG and active cavity length stabilization.
Fig. 1 zeigt ein pumpresonantes SRO-System gemäß der Erfindung mit einer Pumpquelle 1, die eine Pumpwelle 9 erzeugt. Die Pumpwelle 9 trifft auf ein optisches Isolatorsystem 2 auf, gelangt durch dieses und tritt in einen monolithischen einfachresonanten Oszillator (SRO) 7 ein. Der einfachresonante Oszillator 7 erzeugt eine Signalwelle 8 und eine Hilfswelle 10. Die Pumpwelle resoniert in dem SRO-Hohlraum. Ein Teil der Pumpwelle 9 wird zurück in den Isolator 2 reflektiert und an den Detektor 13 gesendet. Ein Amplitudenmodulationssignal aufgrund der Verstimmung der Pumpfrequenz aus der Resonanz wird mittels eines Mixers 4 und eines lokalen Oszillators 6, welcher die Pumpwelle 9 ebenfalls phasenmoduliert, demoduliert. Nach dem Filtern und Verstärken wird ein Korrektursignal 6a in die Pumpquelle 1 zum Regulieren seiner Frequenz auf Resonanz mit dem SRO 7 zugeführt.Fig. 1 shows a pump resonant SRO system according to the invention with a pump source 1 which generates a pump wave 9. The pump wave 9 impinges on an optical isolator system 2, passes through it and enters a monolithic single resonant oscillator (SRO) 7. The single resonant oscillator 7 generates a signal wave 8 and an auxiliary wave 10. The pump wave resonates in the SRO cavity. A portion of the pump wave 9 is reflected back into the isolator 2 and sent to the detector 13. An amplitude modulation signal due to the detuning of the pump frequency from resonance is demodulated by means of a mixer 4 and a local oscillator 6 which also phase modulates the pump wave 9. After filtering and amplification, a correction signal 6a is fed into the pump source 1 to regulate its frequency to resonance with the SRO 7.
Der SRO 7 von Fig. 1 ist mit einer Temperatursteuereinrichtung 11 und mit einer Abstimmungs-Steuereinrichtung 12 gekoppelt, um die Temperatur des SRO und seine optische Weglänge auf ein Niveau zu stabilisieren, bei dem Modensprünge unterdrückt sind. Eine Frequenzabstimmung der Wellen 8 und 9 wird durch Ändern der Mediumtemperatur um einen gesteuerten Betrag erzielt.The SRO 7 of Fig. 1 is coupled to a temperature controller 11 and to a tuning controller 12 to stabilize the temperature of the SRO and its optical path length to a level where mode hopping is suppressed. Frequency tuning of the waves 8 and 9 is achieved by changing the medium temperature by a controlled amount.
Fig. 2 zeigt eine alternative Ausführungsform des erfindungsgemäßen SRO-Systems mit einer Pumpquelle 20, die eine Pumpwelle 21 erzeugt. Bei dieser Ausführungsform ist eine Einrichtung zum Steuern der Frequenz der Pumpwelle 21 intrinsisch an sich innerhalb der Pumpquelle 20 angeordnet. Die Pumpwelle 21 gelangt in ein SRO-System 22 mit einem ersten Reflektor 23, einem zweiten Reflektor 25 und einem nicht-linearen Medium 24. Die Pumpwelle 21 tritt in das nicht-lineare Medium 24 ein, um eine Signalwelle 26 und eine Hilfswelle 27 zu erzeugen. Die Hilfswelle 27 wird im wesentlichen durch einen zweiten Reflektor 25 durchgelassen, so daß sie extern für weiteren spektrographischen Gebrauch zur Verfügung steht, während die Signalwelle 26 diesen teilweise passiert. Bei der Ausführungsform von Fig. 2 wird eine Stabilisierung und/oder Optimierung des Systems durch Überwachen der Hilfswelle 27 erzielt. Ein Teil der Hilfswelle wird vom Spiegel 28 zum Detektorsystem 29 reflektiert, das eine Signalprozessoreinrichtung einschließt. Die resultierende Leistung des Detektorsignalprozessors 29 wird einem Abstimmungs-Steuersystem 30 zugeführt. Das Detektorsystem 29 könnte ein Leistungsmonitor sein, wobei in diesem Fall die Temperatursteuerung die Temperatur des Mediums ändert, wenn die Abstimmungssteuerung die Länge des Hohlraums ändert, um die Ausgangsfrequenzen der Wellen 26, 27 abzustimmen. Die Temperatur des Mediums 24 wird so reguliert, daß die detektierte Leistung maximiert wird. Der Detektor 29 könnte ebenfalls eine externe Frequenzreferenz, wie einen stabilen optischen Hohlraum, eine Atomzusammensetzung oder dergleichen, welche eine konstante Frequenz darstellen, enthalten. Die Information bezüglich der Verstimmung zwischen Referenz- und Hilfsfrequenz wird in einer Abstimmungs-Steuervorrichtung 30 ausgewertet. Die Abstimmungs-Steuervorrichtung 30 gibt dabei Signale an eine Temperatur- Steuervorrichtung 32 und eine Spiegelpositions-Steuervorrichtung 33 aus. Das Spiegelsteuersystem 33 koppelt das Steuersignal zurück an einen Positionierer 34, um die Hohlraumlänge einzustellen. Solche Einstellungen können mit kurzen Zeitkonstanten für eine schnelle Reaktion auf Verstimmung ausgeführt werden. Das Temperatur- Steuersystem 32 kann für langfristigere, langsamere Änderungen der Betriebsbedingungen des Systems sorgen.Fig. 2 shows an alternative embodiment of the SRO system according to the invention with a pump source 20 which generates a pump wave 21. In this embodiment, a means for controlling the frequency of the pump wave 21 is arranged intrinsically within the pump source 20. The pump wave 21 enters an SRO system 22 with a first reflector 23, a second reflector 25 and a non-linear medium 24. The pump wave 21 enters the non-linear medium 24 to generate a signal wave 26 and an auxiliary wave 27. The auxiliary wave 27 is substantially transmitted through a second reflector 25 so that it is available externally for further spectrographic use, while the signal wave 26 partially passes through it. In the embodiment of Fig. 2, stabilization and/or optimization of the system is achieved by monitoring the auxiliary wave 27. A portion of the auxiliary wave is reflected by the mirror 28 to the detector system 29 which includes a signal processor means. The resulting output of the detector signal processor 29 is fed to a tuning control system 30. The detector system 29 could be a power monitor, in which case the temperature control changes the temperature of the medium as the tuning control changes the length of the cavity to tune the output frequencies of the waves 26, 27. The temperature of the medium 24 is regulated to maximize the detected power. The detector 29 could also contain an external frequency reference, such as a stable optical cavity, atomic composition or the like, which represents a constant frequency. The information regarding the mismatch between reference and auxiliary frequency is evaluated in a tuning controller 30. The tuning controller 30 outputs signals to a temperature controller 32 and a mirror position controller 33. The mirror control system 33 couples the control signal back to a positioner 34 to adjust the cavity length. Such adjustments can be made with short time constants for a quick response to mismatch. The temperature control system 32 can provide for longer term, slower changes in the operating conditions of the system.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform ist in Fig. 3 gezeigt. Bei der Ausführungsform von Fig. 3 gibt eine Pumpquelle 40 mit einem Nd:YAG-Laser eine Pumpwelle 42 in einen Faraday-Isolator 41 ab. Bei dieser Ausführungsform ist die Einrichtung zum Steuern der Frequenz des Lasers 40 intrinsisch darin vorgesehen. Die Leistung des Faraday-Isolators 41 trifft auf einen dichroitischen Spiegel 43 auf und tritt in einen PPLN-Chip (periodisch gepoltes Lithium-Niobat) ein. Eine Translator-Einrichtung 47 kann verwendet werden, um den PPLN-Chip 44 von einem Gitter zum nächsten zu bewegen. Der PPLN-Chip 44 erzeugt in Reaktion auf die Pumpwelle 42 Signal- und Hilfswellen. Der Hohlraum ist nur für die Pump- und Signalwellen resonant, die vom Spiegel 45 und vom Spiegel 46 reflektiert werden. Die optischen Eigenschaften des Systems und insbesondere der Pump- und Signalwellen können in einem externen Spektralanalysator 51 beobachtet werden. Die Pump-, Signal- und Hilfswellen gelangen durch einen Strahlenteiler 50, so daß sie auf einen Reflektor 54 auftreffen und in ein Fabry-Perot-Interferometer 53 mit einem externen Detektor 52 gelangen. Messungen der Ausgangseigenschaften und Leistung der Signal- und Hilfswellen, die als Ausgangsstrahlen 58 austreten, können mittels eines dichroitischen Spiegels 59 beobachtet werden, welcher die Signal- und Hilfswellen auf eine Thermosäule 60 richtet. Die Stabilität des Systems in der Ausführungsform von Fig. 3 wird aufrecht erhalten, indem die reflektierte Pumpwelle 42, welche aus dem Oszillator austritt, überwacht und von dem Strahlteiler 50 einem Detektor 55 zugeführt wird. Es kann eine Einrichtung zum Verzweigen der Signalwelle von der Pumpwelle vor dem Detektor 55 vorgesehen sein, was schematisch in Fig. 3 angedeutet ist. Der Detektor 55 signalisiert einen Lock 56, der mit einem Piezo 57 in Verbindung steht, um die Hohlraumlänge zu stabilisieren.A particularly preferred embodiment is shown in Fig. 3. In the embodiment of Fig. 3, a pump source 40 comprising an Nd:YAG laser outputs a pump wave 42 into a Faraday isolator 41. In this embodiment, the means for controlling the frequency of the laser 40 is provided intrinsically therein. The output of the Faraday isolator 41 strikes a dichroic mirror 43 and enters a PPLN (periodically poled lithium niobate) chip. A translator means 47 can be used to move the PPLN chip 44 from one grid to the next. The PPLN chip 44 generates signal and auxiliary waves in response to the pump wave 42. The cavity is resonant only to the pump and signal waves reflected from the mirror 45 and the mirror 46. The optical properties of the system, and in particular the pump and signal waves, can be observed in an external spectrum analyzer 51. The pump, signal and auxiliary waves pass through a beam splitter 50 to impinge on a reflector 54 and enter a Fabry-Perot interferometer 53 with an external detector 52. Measurements of the output properties and power of the signal and auxiliary waves emerging as output beams 58 can be observed by means of a dichroic mirror 59 which directs the signal and auxiliary waves onto a thermopile 60. The stability of the system in the embodiment of Fig. 3 is maintained by monitoring the reflected pump wave 42 emerging from the oscillator and feeding it from the beam splitter 50 to a detector 55. A device may be provided for branching the signal wave from the pump wave before the detector 55, which is indicated schematically in Fig. 3. The detector 55 signals a lock 56 which is connected to a piezo 57 to stabilize the cavity length.
Bei einer besonderen Ausbildung der Ausführungsform von Fig. 3 wird ein diodengepumpter Miniatur-Nd:YAG-Ringlaser mit einer einzigen Frequenz- Ausgangsleistung von 800 mW bei 1064 nm mit einer Linienbreite von 1 kHz und kontinuierlicher Abstimmbarkeit von 10 Ghz verwendet. Der SRO weist fundamentale Reflektorelemente 45, einen PPLN-Multigitterchip 44 und einen externen Reflektor 46 auf und ist ein Resonanzsystem mit einem einzigen Hohlraum, welches als ein semimonolithischer linearer Stehwellenresonator ausgebildet ist. Der externe Spiegel 46 ist um 16 mm von dem Chip 44 getrennt, und der PPLN-Kristall 44 hat die Abmessungen 19 mm · 11 mm · 0,5 mm mit acht unterschiedlichen Gittern, welche Periodenlängen zwischen 30 und 31,2 um haben. Eine der ebenen Chipendflächen 45 ist mit einem breitband-dichroitischen Spiegel beschichtet, welcher Reflexionsvermögen von 92% für die Pumpe (1064 nm) und durchschnittliche Werte von 99,7% für das Signal (1,66-2 um) und 3% für die Hilfswelle (2,3-3 um) bereitstellt. Eine Anti-Reflexionsbeschichtung mit restlichem Reflexionsvermögen von 0,3%, 0,8% und 3% bei der Pump-, Signal- und Hilfswelle ist auf der anderen Chipfläche aufgebracht. Der externe Spiegel 46 hat einen Krümmungsradius von 25 mm und ist an einem Piezo-Wandler 57 angebracht. Der TEM&sub0;&sub0;-Hohlraummodus hat eine Taille von 29 um, die eine optimale nicht-lineare Kopplung für die gegebene Resonatorgeometrie und Kristalllänge bietet. Die Pumpe war räumlich modenangepaßt an den fundamentalen Resonatormodus mit einer Effektivität von 98%. Das Reflexionsvermögen des externen Spiegels bei den Pump-, Signal- und Hilfswellen betrug 99,7%, 99,8% bzw. 5% auf der gekrümmten Oberfläche, wohingegen die Rückseite nicht beschichtet ist. Die gesamten Umlaufverluste für die Pump-, Signal- und Hilfswellen betrugen Ap = 10%, As = 2,5% und Ai = 99,9%. Der letzte Wert stellt einen einfachresonanten Betrieb sicher. Bei einem SRO-Hohlraum, welcher für die Hilfswelle hoch durchlässig bei beiden Spiegeln ist, wird eine interne Schwellenwertleistung Pthint = AS/2ENL = 8,6 W angenommen mit einer berechneten Einfachweg-Nichtlinearität ENL von 1,45/kW unter Annahme eines effektiven nicht-linearen Koeffizienten deff = 15pm/V (Quasi-Phasenanpassung erster Ordnung). Eine Pumpleistungsverstärkung von 32 wird aus einer gemessenen Feinheit von 63 und einer Einkopplung von 65% für die Pumpwelle unterhalb des Schwellenwerts gefolgert.In a particular embodiment of the embodiment of Fig. 3, a diode-pumped miniature Nd:YAG ring laser with a single frequency output power of 800 mW at 1064 nm with a line width of 1 kHz and continuous tunability of 10 GHz. The SRO comprises fundamental reflector elements 45, a PPLN multigrating chip 44 and an external reflector 46 and is a single cavity resonant system designed as a semi-monolithic linear standing wave resonator. The external mirror 46 is separated from the chip 44 by 16 mm and the PPLN crystal 44 has dimensions of 19 mm x 11 mm x 0.5 mm with eight different gratings having period lengths between 30 and 31.2 µm. One of the planar chip end faces 45 is coated with a broadband dichroic mirror which provides reflectivities of 92% for the pump (1064 nm) and average values of 99.7% for the signal (1.66-2 µm) and 3% for the auxiliary wave (2.3-3 µm). An anti-reflection coating with residual reflectivities of 0.3%, 0.8% and 3% at the pump, signal and auxiliary waves is applied to the other chip surface. The external mirror 46 has a radius of curvature of 25 mm and is attached to a piezo transducer 57. The TEM₀₀ cavity mode has a waist of 29 µm, which provides optimal non-linear coupling for the given resonator geometry and crystal length. The pump was spatially mode-matched to the fundamental resonator mode with an efficiency of 98%. The reflectivities of the external mirror at the pump, signal and auxiliary waves were 99.7%, 99.8% and 5%, respectively, on the curved surface, whereas the back surface is uncoated. The total round-trip losses for the pump, signal and auxiliary waves were Ap = 10%, As = 2.5% and Ai = 99.9%. The latter value ensures single-resonance operation. For an SRO cavity which is highly transparent to the auxiliary wave at both mirrors, an internal threshold power Pthint = AS/2ENL = 8.6 W is assumed with a calculated single-path nonlinearity ENL of 1.45/kW assuming an effective nonlinear coefficient deff = 15pm/V (first order quasi-phase matching). A pump power gain of 32 is inferred from a measured fineness of 63 and a coupling of 65% for the pump wave below the threshold.
Eine besonders gute Stabilisierung der Pumpwelle wird erreicht, indem die Hohlraumlänge auf Resonanz mit der Laserfrequenz gelockt wird. Dies erfolgt durch Frequenzmodulation der Pumpwelle, indem der Laserkristall piezoelektrisch mit einem 10 MHz Signal (50 mV Spitze-zu-Spitze-Spannung) moduliert wird. Die von dem SRO- Hohlraum reflektierte Pumpwelle wird mit einer empfindlichen InGaAs-Photodiode detektiert, um ein Fehlersignal durch Mischen des AC-Detektorsignals mit der Modulationsfrequenz und durch nachfolgendes Tiefpass-Filtern zu erzeugen. Dieses Fehlersignal wird in den Piezo eingegeben, um den externen Hohlraumspiegel unter Verwendung eines proportionalen integralen Servokontrollers zu verschieben. Die Verwendung des reflektierten Lichts zur Stabilisierung ist wichtig, da die übertragene Pumpwelle oberhalb eines Schwellenwerts einer optischen Begrenzung unterzogen wird, um ein Fehlersignal zu erzeugen, welches keine Stabilisierung des reflektierten Lichts bei Null-Verstimmung zuläßt. Die Pumpwelle bleibt stabil gelockt für mehr als 50 h mit Leistungsschwankungen kleiner als 2%. Eine minimale externe Schwellenwertleistung Pthext = 260 mW ergibt sich bei einer Signal-Wellenlänge von 1,7 um. Dies entspricht einer internen Pumpwellenleistung von 8,3 W.Particularly good stabilization of the pump wave is achieved by locking the cavity length to resonance with the laser frequency. This is done by frequency modulating the pump wave by piezoelectrically modulating the laser crystal with a 10 MHz signal (50 mV peak-to-peak voltage). The pump wave reflected from the SRO cavity is detected with a sensitive InGaAs photodiode to generate an error signal by mixing the AC detector signal with the modulation frequency and subsequent low-pass filtering. This error signal is input to the piezo to move the external cavity mirror using a proportional integral servo controller. The use of the reflected light for stabilization is important because the transmitted pump wave is subject to optical limitation above a threshold, to generate an error signal that does not allow stabilization of the reflected light at zero detuning. The pump wave remains stably locked for more than 50 h with power fluctuations less than 2%. A minimum external threshold power Pthext = 260 mW results at a signal wavelength of 1.7 μm. This corresponds to an internal pump wave power of 8.3 W.
Eine weitere Beschreibung der Ausführungsform von Fig. 3 ist in Opt. Lett., Band 22, Nr. 17, Seiten 1293-1295 (1997) gegeben.A further description of the embodiment of Fig. 3 is given in Opt. Lett., Volume 22, No. 17, pages 1293-1295 (1997).
Fig. 4a zeigt eine andere bevorzugte erfindungsgemäße Ausführungsform mit einer Pumpquelle 70, die einen Laserstrahl 71 erzeugt. Der Laserstrahl 71 von der Pumpquelle 70 wird über einen optischen Isolator 72 zugeführt und trifft auf einen Generator 73 der zweiten Harmonischen. Der Generator 73 der zweiten Harmonischen weist einen nichtlinearen Kristall 76, einen Spiegel 77, einen Detektor 75, einen Servo 74 und einen Piezo 76 auf, um die Frequenz des auftreffenden Laserstrahls zu verdoppeln. Die Leistung des Generators 73 der zweiten Harmonischen trifft auf einen dichroitischen Spiegel 78a auf und wird in Form einer Pumpwelle 79 auf einen Isolator 80 reflektiert. Die Pumpwelle 79, die durch den Isolator 80 geht, trifft auf einen dichroitischen Spiegel 81 auf und gelangt in ein nicht-lineares Medium 84. Das nicht-lineare Medium 84 hat eine reflektierende Oberfläche 85 an einem Ende und eine Brewsterfläche 86 an dem anderen Ende. Die Strahlenbruchteile, die aus der Brewsterfläche 86 austreten, werden in drei Teile entsprechend der Pumpwelle, der Hilfswelle und der Signalwelle aufgespalten und treffen auf einen externen Spiegel 87 auf. Der externe Spiegel 87 hat einen Krümmungsradius, der dem Abstand zwischen seiner reflektierenden Oberfläche und dem Austrittspunkt aus der Brewsterfläche 86 entspricht, um die aufgespaltenen Strahlen zurück in das nichtlineare Medium 84 zu fokussieren. Die Strahlen bewegen sich kolinear und zusammenfallend innerhalb des nicht-linearen Mediums 84. Die reflektierende Oberfläche 85 kann strukturiert sein, um die Strahlen in dem Medium 84 zu fokussieren. Ein zweiter Teil der Pumpwelle 79 gelangt zu einem Detektor 89 zum Erzeugen eines Signals für einen Servo 90, um einen Piezo 88 und die Resonanzlänge des Oszillatorsystems zu steuern. Der Ausgangsstrahl von dem System gelangt durch den dichroitischen Spiegel 81 und steht extern als Signalwelle 82 und Hilfswelle 83 zur Verfügung.Fig. 4a shows another preferred embodiment of the invention with a pump source 70 that generates a laser beam 71. The laser beam 71 from the pump source 70 is fed through an optical isolator 72 and impinges on a second harmonic generator 73. The second harmonic generator 73 comprises a non-linear crystal 76, a mirror 77, a detector 75, a servo 74 and a piezo 76 to double the frequency of the incident laser beam. The output of the second harmonic generator 73 impinges on a dichroic mirror 78a and is reflected in the form of a pump wave 79 onto an isolator 80. The pump wave 79, passing through the isolator 80, strikes a dichroic mirror 81 and enters a non-linear medium 84. The non-linear medium 84 has a reflective surface 85 at one end and a Brewster surface 86 at the other end. The fractions of rays emerging from the Brewster surface 86 are split into three parts corresponding to the pump wave, the auxiliary wave and the signal wave and strike an external mirror 87. The external mirror 87 has a radius of curvature equal to the distance between its reflective surface and the exit point from the Brewster surface 86 to focus the split rays back into the non-linear medium 84. The beams travel collinearly and coincidentally within the non-linear medium 84. The reflective surface 85 may be structured to focus the beams in the medium 84. A second portion of the pump wave 79 passes to a detector 89 to generate a signal for a servo 90 to control a piezo 88 and the resonant length of the oscillator system. The output beam from the system passes through the dichroic mirror 81 and is available externally as a signal wave 82 and an auxiliary wave 83.
Eine alternative Ausführungsform des nicht-linearen Brewsterwinkelmediums von Fig. 4a ist in Fig. 4b gegeben. Bei der Ausführungsform von Fig. 4b ist das nicht-lineare Medium 95 mit einer fokussierenden Elementfläche 96 gebildet. Interne Strahlen 97 und 105 treffen auf Brewsterflächen 97a bzw. 97b auf. Die Hilfs- und Signalwellen werden nach Durchgang durch die erste Brewsterfläche 97a in zwei Wellen 98 bzw. 99 aufgespalten und treffen auf einen reflektierenden Spiegel 100 auf. Der reflektierende Spiegel 100 hat einen Krümmungsradius, der gleich dem Abstand zwischen dem Austrittspunkt an der externen Brewsterfläche 97a und der Spiegelfläche ist, um erste 98 und zweite 99 externe Strahlen zurück in das nicht-lineare Medium 95 zu refokussieren. Der zweite Teil des Strahls 105 tritt aus dem nicht-linearen Medium 95 durch eine zweite Brewsterfläche 97b aus, wird in dritte und vierte Strahlen 101 und 102 aufgespalten und trifft auf einen zweiten konkaven Spiegel 103 auf. Wie der Spiegel 100 hat der Spiegel 103 einen Krümmungsradius, der gleich seinem Abstand von dem Austrittspunkt der zwei Strahlen 101, 102 aus der Brewsterfläche 97b ist, um den Strahl 102 zurück in das nicht-lineare Medium 95 zu refokussieren.An alternative embodiment of the non-linear Brewster angle medium of Fig. 4a is given in Fig. 4b. In the embodiment of Fig. 4b, the non-linear medium 95 is formed with a focusing element surface 96. Internal beams 97 and 105 impinge on Brewster surfaces 97a and 97b, respectively. The auxiliary and signal waves are split into two waves 98 and 99, respectively, after passing through the first Brewster surface 97a and impinge on a reflecting mirror 100. The reflecting mirror 100 has a radius of curvature equal to the distance between the exit point at the external Brewster surface 97a and the mirror surface to refocus first 98 and second 99 external beams back into the non-linear medium 95. The second portion of beam 105 exits the non-linear medium 95 through a second Brewster surface 97b, is split into third and fourth beams 101 and 102, and impinges on a second concave mirror 103. Like the mirror 100, the mirror 103 has a radius of curvature equal to its distance from the exit point of the two beams 101, 102 from the Brewster surface 97b to refocus the beam 102 back into the non-linear medium 95.
Bei einer besonderen Ausführungsform von Fig. 4a wird ein Miniatur-Nd:YAG-Ringlaser 70 als Primärquelle des Systems verwendet, der eine maximale Ausgangsleistung von 1,5 Watt bei 1064 nm mit einer Linienbreite von 1 kHz und einer Frequenzinstabilität von ca. 10 MHz/h aufweist. Die Laserfrequenz wird kontinuierlich bis 10 GHz durch Temperatursteuerung des Nd:YAG-Kristalls abgestimmt. Der Laserstrahl 71 wird in dem externen Resonator 73 frequenzverdoppelt, um eine maximale Ausgangsleistung von 1,1 Watt bei 532 nm zu erzeugen. Der SRO ist ein monolithischer Stehwellen-Hohlraum mit einem 7,5 mm langen MgO:LiNbO&sub3;-Kristall 84 (Typ-I Phasenanpassung). Das Hohlraumdesign ist so ausgebildet, daß es einen geringen Verlust für die p-polarisierte Signalwelle und eine gute Überlappung der Signal-, Hilfs- und Pumpwellen innerhalb des Kristalls 84 über einen breiten Abstimmbereich liefert. Die erste Eigenschaft wird durch Verwendung eines im Brewsterwinkel 65,9º geschnittenen Kristalls für die Mittelsignal- Wellenlänge ausgeführt. Der Transmissionsverlust für die Signalwelle bleibt über einen relativ breiten Abstimmbereich gering. Die Dispersionsänderung der Signal-, Hilfs- und Pumpwellen wird mittels eines externen Hohlraumspiegels 87 kompensiert, der in einem Abstand gleich seinem Krümmungsradius von 25 mm von dem Austrittspunkt an der Brewsterfläche 86 angeordnet ist. In dieser Weise werden Wellen, die in einem beliebigen Winkel austreten, zurückreflektiert, um eine kolineare Ausbreitung und eine gute Überlappung der drei Wellen innerhalb des Kristalls 84 sicherzustellen. Diese Geometrie erfordert einen Fokussierspiegel 85 am anderen Ende des Kristalls 84, um einen stabilen Resonatormodus für Pumpe und Signal zu erhalten. Der Kristall 84 kann mit einer 10 mm sphärisch polierten Endfläche ausgebildet sein, welche mit durchschnittlichem Reflexionsvermögen von 92%, 99,5%, 2% für die Pump-, Signal- und Hilfswellen dielektrisch beschichtet ist. Der Bereich, in welchem das Reflexionsvermögen von 98% auf 5% fällt, erstreckt sich zwischen 1040 und 1085 nm. Der externe Spiegel 87, welcher an einem PZT 88 zum Hohlraumlängenlocken angeordnet ist, liefert ein durchschnittliches Reflexionsvermögen von 98% für die Pump-, 99% für die Signal- und 90% für die Hilfswelle. Eine einfache AR-Beschichtung wird der Brewsterfläche 86 hinzugefügt, um die Pumpwellenverluste zu reduzieren. Der SRO-Betrieb wird durch einen Gesamt-Umlauf- Leistungsverlust von mehr als 98% für die Hilfswelle sichergestellt. Die Pumptaille beträgt 18 um, was eine berechnete Einzelpass-Nichtlinearität von ENL = 1,5/kw ergibt. (Ein effektiver nicht-linearer Koeffizient deff = 4,7 um/V wurde angenommen). Der erwartete innere Schwellenwert für den SRO mit Doppelpass-Hilfswelle beträgt Pthi = AS/4ENL = 3,3 W für einen Umlaufsignalverlust von AS = 2%. Der erwartete externe Schwellenwert wird auf 0,15 W durch den Pumpwellen-Verstärkungsfaktor reduziert, welcher zu 22 gemessen wurde. Oszillation erfolgte bei Pumpleistungen oberhalb von 200 mW, und ein stabiler Betrieb war sichergestellt durch Locken der Hohlraumlänge auf Resonanz mit der Pumpfrequenz und eine Pumpwellenphase wurde in dem nicht-linearen Kristall 84 moduliert. Da die durchgelassene Pumpwelle eine optische Beschränkung erlebt, wird das reflektierte Pumplicht verwendet, um ein geeignetes Fehlersignal zu erzeugen, um bei Null-Verstimmung der Pumpwelle zu locken. Eine maximale gesamte Konversionseffektivität bezüglich Signal plus Hilfswelle von 33% wird bei einer Eingangs- Pumpleistung von 300 mW erhalten.In a particular embodiment of Fig. 4a, a miniature Nd:YAG ring laser 70 is used as the primary source of the system, having a maximum output power of 1.5 watts at 1064 nm with a linewidth of 1 kHz and a frequency instability of about 10 MHz/h. The laser frequency is continuously tuned to 10 GHz by temperature control of the Nd:YAG crystal. The laser beam 71 is frequency doubled in the external resonator 73 to produce a maximum output power of 1.1 watts at 532 nm. The SRO is a monolithic standing wave cavity with a 7.5 mm long MgO:LiNbO3 crystal 84 (Type-I phase matching). The cavity design is designed to provide low loss for the p-polarized signal wave and good overlap of the signal, auxiliary and pump waves within the crystal 84 over a wide tuning range. The first property is achieved by using a crystal cut at Brewster angle 65.9° for the center signal wavelength. The transmission loss for the signal wave remains low over a relatively wide tuning range. The dispersion change of the signal, auxiliary and pump waves is compensated by means of an external cavity mirror 87 placed at a distance equal to its radius of curvature of 25 mm from the exit point on the Brewster surface 86. In this way, waves exiting at any angle are reflected back to ensure colinear propagation and good overlap of the three waves within the crystal 84. This geometry requires a focusing mirror 85 at the other end of the crystal 84 to obtain a stable resonator mode for pump and signal. The crystal 84 may be formed with a 10 mm spherically polished end face dielectrically coated with average reflectivities of 92%, 99.5%, 2% for the pump, signal and auxiliary waves. The region where the reflectivity drops from 98% to 5% extends from 1040 to 1085 nm. The external mirror 87, which is mounted on a PZT 88 for cavity length curling, provides an average reflectivity of 98% for the pump, 99% for the signal and 90% for the auxiliary wave. A simple AR coating is added to the Brewster surface 86 to reduce the pump wave losses. SRO operation is achieved by a total round trip Power loss of more than 98% is ensured for the auxiliary wave. The pump waist is 18 µm, giving a calculated single-pass nonlinearity of ENL = 1.5/kw. (An effective nonlinear coefficient deff = 4.7 µm/V was assumed). The expected internal threshold for the SRO with double-pass auxiliary wave is Pthi = AS/4ENL = 3.3 W for a round-trip signal loss of AS = 2%. The expected external threshold is reduced to 0.15 W by the pump wave gain factor, which was measured to be 22. Oscillation occurred at pump powers above 200 mW, and stable operation was ensured by locking the cavity length to resonance with the pump frequency and pump wave phase was modulated in the nonlinear crystal 84. Since the transmitted pump wave experiences optical confinement, the reflected pump light is used to generate an appropriate error signal to lock on zero detuning of the pump wave. A maximum total conversion efficiency of 33% with respect to signal plus auxiliary wave is obtained at an input pump power of 300 mW.
Diese besondere Ausführungsform ist in Appl. Phys. B 65, 775-777 (1997) weiter offenbart.This particular embodiment is further disclosed in Appl. Phys. B 65, 775-777 (1997).
Fig. 5 zeigt ein System gemäß der Erfindung, wobei eine frequenzstabile Pumpquelle 101a eine Pumpwelle 110 ausgibt, welche durch eine Linse 113 in den Resonator fokussiert wird. Die Pumpwelle wird im wesentlichen von beiden Spiegeln 109 und 108 durchgelassen und tritt somit in dem Resonator nicht in Resonanz. Die Signalwelle 111 und Hilfswelle 112 werden im Medium 106 erzeugt, wobei die Hilfswelle 112 im wesentlichen durch den Spiegel 108 durchgelassen wird. In einem zweiten nicht-linearen Medium 107 wird die zweite Harmonische 114 der Hilfswelle erzeugt und resonant zwischen den Spiegeln 108 und 109 verstärkt, welche ein hohes Reflexionsvermögen für die der Welle 114 entsprechende Wellenlänge haben. Der Teil der Welle 114, der durch den Spiegel 109 durchgelassen wurde und sich zurück zur Pumpquelle bewegt, wird durch einen dichroitischen Spiegel 102a reflektiert und am Detektor 103a detektiert. Die von der Radiofrequenzquelle 115 erzeugte Phasenmodulation, welche das Medium 107 elektrooptisch moduliert, wird in eine Amplitudenmodulation bei einer Welle 116 umgewandelt, wenn die Welle 114 eine Verstimmung in bezug auf die Hohlraumresonanz zeigt. Die Amplitudenmodulation wird in ein Fehlersignal in einem Servosystem 104 konvertiert, welches nach Verstärkung dem Betätiger 105a zugeführt wird, welcher den Spiegel 109 bewegt, um die Welle 114 resonant zu halten. Die Frequenzstabilität der ausgesendeten Wellen 111, 112 wird dadurch vergrößert.Fig. 5 shows a system according to the invention, wherein a frequency stable pump source 101a outputs a pump wave 110 which is focused into the resonator by a lens 113. The pump wave is substantially transmitted by both mirrors 109 and 108 and thus does not resonate in the resonator. The signal wave 111 and auxiliary wave 112 are generated in the medium 106, the auxiliary wave 112 being substantially transmitted by the mirror 108. In a second non-linear medium 107, the second harmonic 114 of the auxiliary wave is generated and resonantly amplified between the mirrors 108 and 109, which have a high reflectivity for the wavelength corresponding to the wave 114. The part of the wave 114 that has passed through the mirror 109 and is traveling back to the pump source is reflected by a dichroic mirror 102a and detected at the detector 103a. The phase modulation produced by the radio frequency source 115, which electro-optically modulates the medium 107, is converted into an amplitude modulation at a wave 116 when the wave 114 is out of tune with respect to the cavity resonance. The amplitude modulation is converted into an error signal in a servo system 104, which after amplification is fed to the actuator 105a, which moves the mirror 109 to keep the wave 114 resonant. The frequency stability of the emitted waves 111, 112 is thereby increased.
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